过程流体机械教学课件一、绪论一、绪论(2学时学时) ()二、压缩机二、压缩机(24学时学时) ()三、动力式压缩机三、动力式压缩机(20学时学时) ()四、泵四、泵(6学时学时) ()五、五、(4学时学时) ()授课56学时，实验5个 417电话：电话：82664928 13088960387邮箱：邮箱：xfgaomail.xjtu.edu.cn20132013春季春季过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学2.3 2.3 压缩机级的工作过程压缩机级的工作过程-1-1 容积系数V 【推导过程】 【理想气体、实际气体】 相对余隙容积，VC/VS 名义(公称)压力比 m 膨胀过程指数(见表) 进气压力/ bar绝热指数 kk = 1.41.5m = 1+0.5(k -1)1.201.54.0m = 1+0.62(k -1)1.254.010m = 1+0.75(k -1)1.301030m = 1+0.88(k -1)1.35 30m = k1.40 m越大膨胀线越陡，过程放热越多，反之平坦且吸收热量多 一般mk，总体上讲膨胀是吸热的，膨胀线较压缩线平坦过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学2.3 2.3 压缩机级的工作过程压缩机级的工作过程-2-2 容积系数V膨胀指数影响余隙容积影响压力比的影响容积系数影响因素分析：过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学2.3 2.3 压缩机级的工作过程压缩机级的工作过程-3-3 压力系数P 推导过程(按多方压缩过程) 简化表达式(误差1020%) 影响因素 受进气阀关闭状态弹簧力影响 受进气导管中的压力波动影响 多在0.95-1.0间按经验选取 低压级取小些 高压级取大些压力波动对进气压力的影响 发动机可变气门正时技术(VVT, Variable Valve Timing)是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种，它可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。 a) 进气终了时阀室压力处于波峰b) 进气终了时阀室压力处于波谷过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学 温度系数T 取决于进气过程传给气体的热量 热量来源之一：气道传热 热量来源之二：节流损失 一般根据经验图选取 区范围适用于双原子气体；小等墒指数的多原子气体，可参考区取较高的数值 区适用于气缸不冷却的制冷压缩机，直流式取较大值，一般型式压缩机取较小值 区适用于进气温度低于-25的低温制冷压缩机及其他低温压缩机等2.3 2.3 压缩机级的工作过程压缩机级的工作过程-4-4温度系数与压力比的经验关系图过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学 温度系数T 工作条件对T的影响 压比大则排温高，故缸壁平均温度也高，缸壁对进气加热明显，故T小 机器转速越低(大型)热交换时间越长则T越小，反之高转速T相对较大 比重小的气体(氢)导热系数较高，吸气过程预热越严重，因而T值较小 绝热指数较小的气体(氨、氟利昂)，排温和缸壁温度较低，故T值较高2.3 2.3 压缩机级的工作过程压缩机级的工作过程-5-5过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学2.3 2.3 压缩机级的工作过程压缩机级的工作过程-6-6 实际循环指示功(介绍推导过程) 实际循环指示图简化(为便于分析和计算) 认为进排气过程的压力损失为定值 等功原则(简化前后封闭图形面积相同) 根据简化的实际循环p-V图计算 理想气体实际循环指示功(假设m=n) 实际气体实际循环指示功(假设m=n)简化的实际循环p-V图过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学2.3 2.3 压缩机级的工作过程压缩机级的工作过程-7-7 实际循环指示功 进排气过程相对压力损失 实际压力比的概念(气缸内部)进排气相对压力损失 关于进排气压力损失： 功率指标要求先进的机器取虚线值 功率指标要求不严格高速机取实线 排气损失中包含了中冷器流动阻力 进气阻力大故其损失高于排气损失过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学2.3 2.3 压缩机级的工作过程压缩机级的工作过程-8-8 实际循环的泄漏和排气量Vd 级的实际循环排气量 l 泄漏系数 v 容积效率 泄漏系数l 据机器结构分析计算选取 结构气密性(形位公差)影响泄漏系数 工作压力和级次匹配也影响泄漏系数 泄漏对工作过程的影响(图示讲解) 压缩过程一般朝向气缸外泄漏 膨胀过程一般朝向气缸内泄漏 上两种泄漏使过程线变得平坦 泄漏使指示功受到影响 泄漏使排气温度受到影响泄漏影响示意图过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学2.3 2.3 压缩机级的工作过程压缩机级的工作过程-9-93、多级压缩 有中间冷却的多次压缩过程，容积式压缩一次冷却一次 实行多级压缩的理由 节省压缩气体的指示功 理论上讲，由于后级冷却不完善，使气体温度比原始温度每增高3，约使下一级的功耗增加1 多级压缩指示功耗情况对比多级压缩示意图过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学2.3 2.3 压缩机级的工作过程压缩机级的工作过程-10-10 实行多级压缩的理由 降低排气温度 提高容积系数 降低活塞上的气体力(推导过程)多级压缩气体力示意图 多级压缩气体力对比： 吸气绝对压力1bar 排气绝对压力9bar 中间回冷完全，等压比分配 两级较单级减少活塞力约40过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学2.3 2.3 压缩机级的工作过程压缩机级的工作过程-11-11 级数的选择 等温指示效率理论等温循环指示功与实际循环指示功之比 单级的最佳压力比存在等温指示效率最大的因为过程指数与进排气损失一定压力损失，过程指数越小，级最佳压比越高(图示)不同级压力比理想等温循环与实际循环对比过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学 级数的选择 多级压缩机的最佳级数 多级压缩的缺点结构复杂成 本增加、气阀及通道流动损失增 加、运动副增加，机械摩擦增大。整机等温指示效率最大效率相同时选少的级数 级数选择的其他原则：大中型压缩机以省功为原则，不吝惜级数增多小型移动式压缩机重量是矛盾，尽量选少级数一些特殊气体压缩机级数取决于级允许的排温 可参考的经验表格(从常压开始压缩)2.3 2.3 压缩机级的工作过程压缩机级的工作过程-12-12多级压缩机不同级数等温指示效率曲线终压MPa(G)0.310.661.4153.6401510080150级 数1234567过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学2.3 2.3 压缩机级的工作过程压缩机级的工作过程-13-13 压力比的分配 基本原则是令整个压缩机的等温指示效率最高，这样压缩机最省功 理论上讲，理想气体按等压比分配，实际气体各级功耗相等时最省功 理论计算得到的压力比还应根据实际使用情况进行调整过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学2.3 2.3 压缩机级的工作过程压缩机级的工作过程-14-14 压力比的分配 考虑各种实际因素的理论分配结果调整：考虑各种实际因素的理论分配结果调整： 为提高压缩机总体容积效率，一般第一级压力比要小些，多取得比其他级约低510若一级进气温很低，有时为控制整个压机排温还故意把一级压比取得比其他级高510压缩机排气压力变化时，末级压力比所受的影响较大，如果排气背压提高，末级压比和排温首先升高，所以有时为控制末级排温，最后一级的压力比也取得比其他级低515对于气体充瓶用压缩机，当气瓶压力一旦达到设定值便停止工作，所以设计时末级压比可取得比其他级高1020有时考虑到活塞力平衡的需要，某些级次的压力比可作适当调整一些特殊气体压缩机的级数取决于级允许的排温，或考虑实际气体过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学 第三次课要点回顾(10min)一定工作压力下，压缩机的相对余隙容积大小对气缸容积利用率有什么影响？一定结构参数的压缩机，实际工作压力对气缸容积利用率有什么影响？举出一些影响级的温度系数的因素。为什么要用多级压缩？级数选择原则是什么？多级压缩机各级压力比分配的依据是什么？还要考虑哪些因素？过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学三、往复压缩机热力和动力性能三、往复压缩机热力和动力性能(4h)(4h)3.1 压缩机的热力性能和计算 (2h) 排气压力和进、排气系统 (20min) 排气温度和压缩终了温度 (5min) 排气量和供气量 (15min) 压缩机热力分析和计算 (35min) 功率和效率 (15min)3.2 压缩机的动力性能和计算 (2h) 压缩机中的作用力 (4010min) 飞轮矩计算及分析 (20min) 惯性力及其力矩的平衡 (20min)过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学3.1 3.1 压缩机的热力性能和计算压缩机的热力性能和计算-1-1 热力性能排气量、排压、排温、功率和效率1、排气压力和进、排气系统 排气压力 压缩机装置示意图 压机的排气压力并非恒定，铭牌上是额定排气压力，压缩机可以在额定排气压力以内的任意压力下工作；若强度、刚度和排温允许，也可超过额定排压工作 一台压缩机的实际排气压力取决于排气系统背压，排气背压的稳定取决于系统进出气体的量是否平衡；过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学3.1 3.1 压缩机的热力性能和计算压缩机的热力性能和计算-2-2 前一级排出的气体要在合适的压力下被后一级全部吸入 多级压缩机级间压力的变化和建立也服从上述规律 多级压缩机各级依次建立压力，最后是系统的背压一台四级压缩机对1m3容积充气压力上升过程过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学 进、排气系统 p1=常数 p2=常数 p1 =常数 p2常数 p1常数 p2=常数 p1常数 p2常数3.1 3.1 压缩机的热力性能和计算压缩机的热力性能和计算-3-3进、排气系统种类过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学2、排气温度和压缩终了温度 定义和计算 排气温度工作腔排气法兰接管处测得的气体温度 压缩终温工作腔内气体完成压缩开始排气时温度 关于排气温度的限制 由于种种原因，各种气体压缩机中排气温度都需加以限制，有时甚至因为排气温度的限，压缩机不得不采用较多的级数，或采用进气冷却等措施来降低排气温度 润滑(润滑油挥发燃烧、积炭) 腐蚀(高温时介质腐蚀性加大) 爆炸(乙炔、乙烯等) 化学反应(石油裂解气聚合或分解) 密封材料限制(自润滑材料)3.1 3.1 压缩机的热力性能和计算压缩机的热力性能和计算-4-4过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学3.1 3.1 压缩机的热力性能和计算压缩机的热力性能和计算-5-53、排气量和供气量 排气量也称容积流量或输气量，指在所要求排气压力下，压缩机末级单位时间排出的气体容积折算到一级进口压力和温度时的值，符号qV，单位m3/min 中冷器和后冷却器中分离掉的冷凝水要换算到压缩机进口的压力和温度状态计入 工艺气中间洗涤和净化除掉的部分也要换算到压缩机进口的压力和温度状态计入 实际气体根据压缩机出口高压下测得的体积进行换算时，应考虑可压缩性的影响 过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学3.1 3.1 压缩机的热力性能和计算压缩机的热力性能和计算-6-6 供气量也称标准容积流量，是指压缩机单位时间内排出的气体容积折算到标准状态时的干气体容积值，符号qVN，单位Nm3/min 级间如果有冷凝水析出，则被分离掉的冷凝水不计入供气量 级间如果进行抽气洗涤净化，则被洗掉的组分不计入供气量 级间被压缩介质被抽走并用于工艺流程，则这部分气体也应换算成干气体计入供气量 若中途加入其他气体并由机组出口排出，则这部分气体计入供气量 过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学3.1 3.1 压缩机的热力性能和计算压缩机的热力性能和计算-7-7 理论容积流量单位时间所形成的压缩机工作容积之和，即每转总工作容积(排量)乘以转速，符号qVh，单位m3/min 排量就是压缩机每转所形成的气缸工作容积，行程容积(多用于发动机、制冷压缩机) 排气量实际上是表征压缩机尺寸大小的一个量，而不是用户最终真正得到的气体量 供气量是用户从整个压缩机装置得到的有用干气量总和(包括最后一级和中间各级) 排气量的计算： 根据末级实测换算 根据Vh值理论计算排气量国内外定义的差别：排气量国内外定义的差别： 我国我国实际排出的实际排出的 国外国外排量排量(理论理论)过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学4、压缩机热力分析计算 冷却析水问题 气体被压缩冷却后析水的判断条件： 析水系数压缩机第i 级吸入的析出水分后的湿饱和气体的体积折算至一级进口压力和温度状态下的数值，与一级实际吸入容积之比(暂不考虑泄漏和抽气)，称为第i级的析水系数l3.1 3.1 压缩机的热力性能和计算压缩机的热力性能和计算-8-8多级压缩机系统热力参数关系过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学 析水系数计算 设一级进口吸入1m3湿气体，其中干气体所占的体积为： 二级吸入的析水后的湿气体容积(pS2、TS2状态)为： 整理前两式，则： 再将V2换算到一级进口状态，与原始1m3湿气体容积的比值为二级析水系数： 多级压缩机任意第i级的析水系数为： 当压力较高时，pSi/(pSipsai)1，故有(即此后的级相等，即认为再无水分析出) 某一级的析水系数实际上反映的是该级进口前的冷却情况，某一级进口前有水分析出，会影响到该级和其后所有级的析水系数，也影响该级和其后各级工作腔容积的设置。3.1 3.1 压缩机的热力性能和计算压缩机的热力性能和计算-9-9过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学3.1 3.1 压缩机的热力性能和计算压缩机的热力性能和计算-10-10 各级泄漏问题 泄漏：外泄漏(影响气量和功耗) 、内泄漏(不影响气量、影响功耗) 多级压缩机第i级泄漏系数li的定义压缩机末级排出的气体体积(暂不考虑析水和中间抽气)折算至第i级进口压力和温度状态下的数值，与该级实际吸入的气体体积之比 为确保一定排气量，一级吸进的气量要考虑到一级及其后各级的外泄漏，一级之后各级设计时则应考虑本级全部内、外泄漏以及其后各级外泄漏( 某级外泄漏影响此前各级li，及其工作腔容积设置) 过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学3.1 3.1 压缩机的热力性能和计算压缩机的热力性能和计算-11-11 泄漏系数与压缩机结构、运行参数、气体性质等有关，难以准确计算，一般分析计算选取，有油机一般取0.900.98，无油机一般取0.850.95，高转速取上限，低速取下限六级压缩机结构示意图压缩机内外泄漏通道过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学气量关系示意图3.1 3.1 压缩机的热力性能和计算压缩机的热力性能和计算-12-12 级间抽气(补气)问题 抽气洗涤后再重新返回压缩机 级间抽气直接应用于工艺流程 级间补入其他成分的中压气体 多级压缩机第i级抽气系数ci压缩机第i级吸入的经抽气或补气的气体体积(暂不考虑中间析水和泄漏)折算至一级进口压力和温度状态的数值，与一级实际吸入容积之比 某一级前的抽气或补气影响到该级和其后所有级的c，以及工作腔容积过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学3.1 3.1 压缩机的热力性能和计算压缩机的热力性能和计算-13-13 第i级工作容积计算 qv要求的压缩机容积流量 n 压缩机转速，r/min vi第i级的容积效率，vi = vipiTi li i第i级的析水系数 ci第i级的抽气系数过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学3.1 3.1 压缩机的热力性能和计算压缩机的热力性能和计算-14-145、功率和效率 指示功率及其影响因素 单位时间所消耗的指示功称为指示功率 单位体积排气量消耗的指示功(J/m3) 减小级实际循环指示功的途径(影响因素) 减小实际压力比，即减小进排气损失(上式看出) 通过改善冷却减小压缩过程多方指数(上式看出) 减小进气预热的程度，相当于增大T (上式看出) 减少机组的外泄漏量，相当于增大l (上式看出) 析出的水相当于白压缩了，故析水增加指示功耗 实际气体影响(有时增加、有时减少指示功消耗) 多级中间回冷程度的影响(是否增加冷却器阻力) 膨胀指数和余隙容积的影响 (m=n时不影响，mn时因余隙存在而多耗功)压缩和膨胀过程指数值不等对功的影响中间冷却对整机功的影响过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学 轴功率和机械效率 轴功(压缩机轴端输入)=指示功摩擦功 机械效率m=指示功(功率)/轴功(功率) 机械效率选取 中、大型m=0.860.92 小型压缩机m=0.850.90 微型压缩机m=0.820.90 其他：高压机、无油机、泵油、注油器、风冷3.1 3.1 压缩机的热力性能和计算压缩机的热力性能和计算-15-15往复压缩机各部分摩擦功比例部位名称百分比(%)活塞环(气体压力作用下)3845活塞环(仅本身初弹力)58填料210十字头滑道45十字头销68曲柄销1520主轴颈1318过程流体机械过程流体机械 西安交通大学西安交通大学 热效率 等温指示效率理论等温循环指示功与实际循环指示功之比i-is 等温轴效率理论等温循环指示功与轴功之比is，也称全等温效率 绝热指示效率理论绝热循环指示功与实际循环指示功之比 绝热轴效率理论绝热循环指示功与轴功之比，用 ad表示，常简称为绝热效率，实际压缩过程趋于，故绝热效率能较好反映相同级数时，气阀等通流部分阻力损失的影响 比功率kW/(m3/min) 单位排气量消耗的功率称比功率，单位kW/(m3/min)，即单位体积排气量耗功 比较同一类压机经济性，且必须在相同排压、进气条件、冷却水入口温度、水耗量等前提下 常用于衡量空气动力压缩机的热力性能指标，其他压缩机较少应用3.1 3.1 压缩机的热力性能和计算压缩机的热力性能和计算-16-16